(57)【要約】  イオンピークの圧縮およびイオン分解能を向上させる方法および装置が開示される。イオンパケットは、デバイスに導入される。第１の電場は、イオンパケットをそれらのモビリティに従って時間的または空間的に分散させるように印加される。第２の断続的な進行波は、分散されたイオンパケットをより少数のより狭いピークのトラッピング領域内に再グループ化または併合するように印加される。イオンパケットは、断続的な進行波のデューティサイクルを変えることによって、より狭いピーク領域に圧縮される。
2019519766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンピークを圧縮する装置であって：
ａ．実質的に連続的なイオンビームが導入されるデバイスと；
ｂ．イオンをより小さな体積またはより狭い分布のイオンピークに圧縮するために該デバイスに印加される断続的な進行波と
を含む、前記装置。
【請求項２】
イオンパケットは、断続的な進行波のデューティサイクルまたは間欠周期を変えることによってより狭いピーク分布に圧縮される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
イオンピークを圧縮する方法であって：
ａ．イオンパケットをデバイスに導入する工程と；
ｂ．イオンをより狭い分布またはより狭いイオンピーク分布に圧縮するように、該デバイスに断続的な進行波を印加する工程と
を含む、前記方法。
【請求項４】
イオンは、断続的な進行波のデューティサイクルまたは間欠周期を変えることによって、より狭いピーク分布に圧縮される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
イオンピークを圧縮する装置であって：
ａ．イオンパケットが導入されるデバイスと；
ｂ．イオンパケットをそれらのモビリティに従って時間的または空間的に分散させるための第１の電場と；
ｃ．分散されたイオンパケットを、より狭いピークのより少数のトラッピング領域内に再グループ化または併合するための第２の断続的な進行波と
を含む、前記装置。
【請求項６】
イオンパケットは、断続的な進行波のデューティサイクルを変えることによってより狭いピーク領域内に併合される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
第１の電場は、進行波場である、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
第１の電場は、第１のイオン運動領域に印加され、第２の断続的な進行波は、第２のイオン運動領域に印加される、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
第１の電場領域内のイオン運動の方向は、第２の断続的な進行波領域内のイオン運動の方向に対して直交して位置合わせされる、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
第１の電場領域内のイオン運動の方向は、第２の断続的な進行波領域内のイオン運動の方向と同じ方向に位置合わせされる、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
第１の電場領域および第２の断続的な進行波領域は、互いに対して０°〜３５９°の間の任意の角度に位置合わせされる、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
イオンピークを圧縮する方法であって、
ａ．イオンパケットをデバイスに導入する工程と；
ｂ．イオンパケットをそれらのモビリティに従って時間的または空間的に分散させるように第１の電場を印加する工程と；
ｃ．分散されたイオンパケットを、より狭いピークのより少数のトラッピング領域内に
再グループ化または併合するように第２の断続的な進行波を印加する工程と；
を含む、前記方法。
【請求項１３】
より狭いピーク領域内へのイオンパケットの併合を制御するように断続的な進行波のデューティサイクルを変える工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
第１の電場は、進行波場である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
第１の電場は、第１のイオン運動領域に印加され、第２の断続的な進行波は、第２のイオン運動領域に印加される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
第１の電場領域内のイオン運動の方向は、第２の断続的な進行波領域内のイオン運動の方向に対して直交して位置合わせされる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
第１の電場領域内のイオン運動の方向は、第２の断続的な進行波領域内のイオン運動の方向と同じ方向に位置合わせされる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
第１の電場領域および第２の断続的な進行波領域は、互いに対して０°〜３５９°の間の任意の角度に位置合わせされる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
断続的な進行波は、イオンを２つ以上のトラッピング領域から１つに併合する、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
断続的な進行波は、イオンを４つ以上のトラッピング領域から１つに併合する、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
断続的な進行波は、所定範囲のイオンパケットがより狭いピーク領域内に再グループ化または併合された後、かつ検出よりも前に、非断続的な進行波に置き換えられる、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
イオンピークを圧縮する方法であって、
ａ．イオンパケットをデバイスに導入する工程と；
ｂ．イオンパケットを多数のトラッピング領域またはビンに分散させるように第１の電場を印加する工程と；
ｃ．分散されたイオンパケットを、より狭いピークを有するように、より少数のトラッピング領域またはビンに再グループ化または併合するように第２の断続的な進行波を印加する工程と；
を含む、前記方法。
【請求項２３】
より狭いピーク領域内へのイオンパケットの併合を制御するように断続的な進行波のデューティサイクルを変える工程をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
第１の電場は、進波場である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
第１の電場は、第１のイオン運動領域に印加され、第２の断続的な進行波は、第２のイオン運動領域に印加され、第１の電場領域および第２の断続的な進行波領域は、互いに対して０°〜３５９°の間の任意の角度に位置合わせされる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
断続的な進行波は、イオンを２つ以上のトラッピング領域から１つに併合する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
断続的な進行波は、イオンを４つ以上のトラッピング領域から１つに併合する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
断続的な進行波は、所定範囲のイオンパケットがより狭いピーク領域内に再グループ化または併合された後、かつ検出よりも前に、非断続的な進行波に置き換えられる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
イオンモビリティ分光分析（ＩＭＳ）の分解能を向上させる方法であって：
ａ．混合されたイオンのパケットをＩＭＳデバイスに導入する工程と；
ｂ．進行波（ＴＷ）を該デバイスに印加することによってイオンをそれらのモビリティに従って分離する工程と；
ｃ．イオンパケットが該分離する工程よりも前の位置に戻されるように、分離が行われないようにＴＷを逆にし、その振幅を増大させる工程と；
ｄ．工程ｂ．から所望の分解能が達成されるまで繰り返す工程と
を含む、前記方法。
【請求項３０】
イオンを分離する工程の後に、イオンパケットを圧縮する工程をさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
ＴＷを逆にする工程の後に、イオンパケットを圧縮する工程をさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
逆にする工程の間、イオン分離は行われない、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
逆にする工程は、ＴＷの速度を低下させるまたは振幅を増大させる工程を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
ＩＭＳデバイスを物理的に増大させることなく、ＩＭＳ分離のための経路長を効果的に増大させる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
イオンモビリティ分光分析（ＩＭＳ）におけるイオン分解能を向上させる装置であって：
ａ．混合されたイオンのパケットが導入されるＩＭＳデバイスと；
ｂ．イオンをそれらのモビリティに従って分離するようにデバイスに印加される一定または可変の電場と；
ｃ．イオンの狭化または圧縮のためのイオンコンプレッサと；
ｄ．イオン分離のために一定または可変の電場が印加されるときの前の位置にイオンパケットを動かす逆電場と
を含む、前記装置。
【請求項３６】
ＩＭＳデバイスは、ＳＬＩＭ  ＩＭＳデバイスである、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
イオンモビリティ分光分析（ＩＭＳ）におけるイオン分解能を向上させる装置であって：
ａ．大きなイオンパケットまたは連続的なイオンビームがある時間の間に導入されるＩＭＳデバイスと；
ｂ．イオンを部分的に狭化または圧縮するためのイオンコンプレッサと；
ｃ．イオンをそれらのモビリティに従って部分的に分離するようにデバイスに印加される一定または可変の電場と；
ｄ．はるかに大きなピーク強度およびＳ／Ｎの最終分離を生じさせるように、空間電荷効果が部分的な分離により減少した後に適用される、イオンを狭化または圧縮するための追加のイオンコンプレッサと
を含む、前記装置。
【請求項３８】
ＩＭＳデバイスは、ＳＬＩＭ  ＩＭＳデバイスである、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
分離デバイスの後の、イオン分解能を向上させる装置であって：
ａ．分離からのイオンパケットが導入されるデバイスと；
ｂ．分離からのパケット内のイオンを狭化または圧縮するように検出よりも前に適用されるイオンコンプレッサと
を含む、前記装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によって本明細書に組み入れられる、２０１６年５月１７日出願の米国特許出願第１５／１５７，２１７号の利益を主張するものである。
【０００２】
連邦政府の資金援助を受けた研究または開発に関する申告
本発明は、エネルギー省により授与された協定ＤＥ−ＡＣ０５７６ＲＬ０１８３０の政府支援により行われた。政府は発明に対して一定の権利を持つ。
【０００３】
本発明は、イオンの空間的圧縮、蓄積およびイオン分離のモビリティの分解能の向上に関する。より詳細には、本発明は、断続的な進行波を印加することによって、イオンの分布をより狭いピークに圧縮するまたはイオンピークを再分布し、結果的に信号対ノイズ比およびピーク分解能を向上させることに関する。
【背景技術】
【０００４】
進行波（ＴＷ）分離において、異なるモビリティのイオンは、典型的にはＤＣ電圧の断続的な印加によって、動いている電場内におけるそれらの相対運動に基づいて分離される。このＴＷプロファイルは、イオン運動の所期方向に動く。ＴＷは、周期的な山と谷を生み出し、イオンは、それらのモビリティに対して電場が非常にゆっくりと動く場合に谷にトラップされる。ＴＷが前方に動くと、ＴＷの運動の速度に応じて、イオンは、それらの谷に留まるか、波の上を転がって前の電位の谷に落ちるかのどちらかとなる。そのように転がる数は種のイオンモビリティに応じて決まり、これがモビリティに基づく分離につながり；より低いモビリティの種は、より頻繁に転がり、所与の距離を横切るのにより長い時間がかかる。
【０００５】
従来のイオンモビリティ分離の場合、一定のドリフト電場を使用する従来のモビリティ分離におけるように分離距離が増大されるとより大きな電圧が必要となる。したがって、非常に長い経路長での分離は、実現不可能である。ＴＷに基づく分離は、この制約を回避することに使用することができるが、依然として制約が残っている。ＴＷイオンモビリティ分離の利点を実際に実現するには、進行波内でイオンが転がって拡散するのでピークが広幅になることを含む考察によって制限される。それによって、結果的に、非常に長い経路長を使用した場合にイオンモビリティ分離についてのピークが広幅になり、それによって検出が難しくなり信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）が低くなる。さらに、複数パス／環状経路（ｃｙｃｌｉｃａｌ  ｐａｔｈ）でのイオンモビリティ分離は、同様に、ピークの広幅化および多数パスでの信号希釈により、それらの程度は限られる。さらに、そうしたデバイスの場合、１つのピークが、経路全体を埋め尽くす（ｆｉｌｌ）ようにそのような影響を受けて拡大し、したがって非常に類似したモビリティの均一な（ｅｖｅｎ）種の場合にはその手法が役立たない。ＴＷ分離についてのこの問題を解決することは、拡散／ピーク広幅化に関する問題の克服に有効であり、非常に高いイオンモビリティ分光分析（ＩＭＳ）の分解能を提供する新奇な器械を可能にする。
【０００６】
そのような用途における関連の課題は、検出時のＳ／Ｎを増大させるように、初期イオン集団を著しく増大させることであるが、空間電荷効果は、ＩＭＳ分離について初期に注入可能なイオン集団のサイズを制限する。したがって、イオントラップがしばしばＩＭＳへの注入のためのイオンの蓄積に使用されるが、鍵となる制限は、電荷の最大数を典型的には約１０６、または多くても１０７に制限する空間電荷容量である。初期注入パルスは
、それをより長い時間に延長することによってより大きくすることができる一方で、より長い注入パルスは、ピークをより広幅にしてしまい、所望のより高い分解能とは相いれない。この問題の解決法がないことは明らかであり、結果的に、しばしば、Ｓ／Ｎを増大させるために、分離を何度も繰り返し、次いでその結果を合計または平均することが必要となる。
【０００７】
ＩＭＳにおいて、高い分解能の達成は、従来、１）長い経路長を構築することによってＩＭＳセルの物理的なサイズを増大させる、２）圧力を増大させる、および３）少数であるが、環状経路または複数パスデバイス内でイオンパケットを循環させる；ことによって対処されてきた。ＩＭＳセルの物理的なサイズを増大させることは、そうしたシステムの作成の実現性によって妨げられ、一定場ＩＭＳの場合、物理的な長さの増大は、ドリフト電圧の比例的な増大を必要とする。最大ドリフト電圧は、電気的絶縁破壊現象によって制限される。あるいは、バッファガスの圧力を増大させることは可能であるが、それは、長時間にわたって高圧でイオンをトラップする能力が低いので、イオンの著しい損失を伴う。圧力を増大させることは、やはりまた、上述したように破壊電圧によって制限される一定場ＩＭＳにおけるドリフト電圧の比例的な増大を必要とする。最後に、経路長は、高い分解能を達成するために、サイクロトロンデバイスにおいてイオンパケットを多数回循環させることによって増大させることができる。しかし、通常適用可能なパスの数は、イオン同士の分離の増大およびピークサイズの増大の両方によって累進的に制限され、最終的に１つのピークとしてデバイス全体を埋め尽くす。環状または複数パス装置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）の長さは、同時に分離可能なモビリティの範囲を増大させるように、より長くすることができるが、そうしたデバイスは、扱いにくく、製作が難しい。したがって、上述した課題を解決するために新奇な手法が必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、イオンを空間的に圧縮し、ＩＭＳにおけるイオン分解能を向上させるまたは他の分離後のＳ／Ｎを増大させる、方法および装置を対象とする。本発明の一実施形態では、イオンピーク圧縮のための装置が開示される。装置は、実質的に連続的なイオンビームが導入されるデバイスを含む。装置は、さらに、イオンをより狭いイオンピーク分布に圧縮するようにデバイスに印加される断続的な進行波を含む。一実施形態では、イオンパケットは、断続的な進行波のデューティサイクルを変えることによって、より狭いピーク分布に圧縮される。
【０００９】
一実施形態では、ピーク分布の幅を減少させることは、実質的に連続的な入射ビームがデバイスの通常（非断続的）進行波部分と断続的な進行波部分との間の境界で単一トラップ内に併合されることにより行われる。
【００１０】
別の実施形態では、本発明は、複数パス設計において、はるかに大きなイオン集団をトラップして蓄積し、次いで分離の間の異なった時期に空間的な圧縮を適用することに使用され、その結果、ＩＭＳ分解能が大幅に向上するとともにＳ／Ｎが大幅に増大することになる。
【００１１】
本発明の別の実施形態では、イオンピークを圧縮する方法が開示される。方法は、実質的に連続的なイオンビームをデバイスに導入することを含む。方法は、さらに、イオンをより狭いイオンピークに圧縮するように、デバイスに断続的な進行波を印加することを含む。
【００１２】
本発明の別の実施形態では、イオンピークを圧縮する装置が開示される。装置は、イオンパケットが導入されるデバイスを含む。装置は、さらに、イオンパケットをそれらのモビリティに従って時間的または空間的に分散させるための第１の電場を含む。装置は、さらに、分散されたイオンパケットを、より狭いピークのより少数のトラッピング領域内に再グループ化または併合するための第２の断続的な進行波を含む。一実施形態では、イオンパケットは、断続的な進行波のデューティサイクルを変えることによってより狭いピーク領域内に併合される。
【００１３】
第１の電場は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｉｏｎｓ  ｉｎ  ａ  Ｇａｓ  Ｐｈａｓｅという名称の２０１５年１０月７日出願の米国特許出願第６２／２３８，２９１号においてもたらされる記載に従って形成される連続的な進行波場とすることができる。
【００１４】
一実施形態では、第１の電場は、第１のイオン運動領域に印加され、第２の断続的な進行波（または、「間欠的（ｓｔｕｔｔｅｒｉｎｇ）」な波）は、第２のイオン運動領域に印加される。第１の電場領域内のイオン運動の方向は、第２の断続的な進行波領域内のイオン運動の方向に対して直交して位置合わせすることができる、または同じ方向に位置合わせすることもできる。あるいは、第１の電場領域および第２の断続的な進行波領域は、互いに対して０°〜３５９°の間の任意の角度に位置合わせしてもよい。
【００１５】
一実施形態では、断続的な進行波は、イオンを２つ以上のトラッピング領域から１つに併合する。別の実施形態では、断続的な進行波は、イオンを４つ以上のトラッピング領域から１つに併合する。
【００１６】
一実施形態では、断続的な進行波は、所定範囲のイオンパケットがより狭いピーク領域内に再グループ化または併合された後、かつ検出よりも前に、非断続的な進行波に置き換えられる。
【００１７】
本発明の別の実施形態では、イオンピークを圧縮する方法が開示される。方法は、イオンパケットをデバイスに導入することを含む。方法は、さらに、イオンパケットを多数のトラッピング領域に分散させるように第１の電場を印加することを含む。方法は、さらに、分散されたイオンパケットを、より狭いピークのより少数のトラッピング領域内に再グループ化または併合するように第２の断続的な進行波を印加することを含む。
【００１８】
本発明の別の実施形態では、ＩＭＳにおけるイオン分解能を向上させる方法が開示される。方法は、混合されたイオンのパケットをＩＭＳデバイスに導入することを含む。方法は、さらに、一定または可変の電場をデバイスに印加することによってイオンをそれらのモビリティに従って分離することを含む。方法は、また、イオンパケットを、分離する工程よりも前の位置に戻すように電場を逆にすることと；所望の分解能が達成されるまで分離する工程と逆にする工程を繰り返すこととを含む。方法は、ＩＭＳデバイスを物理的に大きくさせることなく、ＩＭＳ分離のために経路長を効果的に増大させる。
【００１９】
逆にする工程の電場は、分離工程の電場とは異なる。
【００２０】
一実施形態では、方法は、イオンを分離する工程および／または電場を逆にする工程の後に、イオンパケットを圧縮することをさらに含む。
【００２１】
一実施形態では、逆にする工程の間にイオン分離は行われない。
【００２２】
逆にする工程は、速度を低下させること、または電場の振幅を増大させることを含むことができる。
【００２３】
本発明の別の実施形態では、ＩＭＳにおいてイオン分解能を向上させる装置が開示される。装置は、混合されたイオンのパケットが導入されるＩＭＳデバイスを含む。装置は、さらに、イオンをそれらのモビリティに従って分離するようにデバイスに印加される一定または可変の電場を含む。装置は、また、イオンピークを狭化または圧縮するためのイオンコンプレッサ（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）と；イオン分離のために一定または可変の電場またはＴＷが印加される前の位置にイオンパケットを動かすように、例えばより高いＴＷ振幅を用いた、分離が行われない状態下での逆方向のＴＷの印加とを含む。
【００２４】
本発明の別の実施形態では、イオン化の前に任意の分離からのイオンの分解能を向上させる装置が開示される。これは、例えばＧＣまたはＬＣ分離の後に形成されるイオンと、検出の間のＳ／Ｎのためになるように、ピーク圧縮のためのＴＷの印加とを含む。
【００２５】
一実施形態では、液相分離に続いて、気相イオンへの変換が行われ、次いでそのイオンがピーク圧縮のために断続的／間欠的な進行波が適用される領域内に注入される。
【００２６】
本発明の別の実施形態では、本明細書において以降、無損失イオン操作構造（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｌｏｓｓｉｅｓｓ  Ｉｏｎ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｓ）（ＳＬＩＭ）デバイスと称される、米国特許第８，８３５，８３９号に記載されるデバイスのような、長い経路長および／または複数パス進行波ＩＭＳデバイスと併せて使用される装置が開示される。
【００２７】
本発明の別の実施形態では、ＩＭＳにおけるイオン分解能を向上させる装置が開示される。装置は、大きなイオンパケットまたは連続的なイオンビームが導入されるＩＭＳデバイスを含む。装置は、さらに、イオンが内部にトラップされる体積を部分的に狭化または圧縮するためのイオンコンプレッサを含む。装置は、また、イオンをそれらのモビリティに従って部分的に分離するようにデバイスに印加されるＴＷまたは一定もしくは可変の電場を含む。装置は、また、はるかに大きなピーク強度およびＳ／Ｎの最終分離を生じさせるように、部分的な分離による空間電荷効果の減少後に適用される、イオンを狭化または圧縮する追加のコンプレッサの使用を含む。
【００２８】
本発明の別の実施形態では、これらに限定されないが、ＧＣまたはＬＣのような任意の分離デバイスの後の、イオンの分解能を向上させる装置が開示される。装置は、分離からのイオンパケットが導入されるデバイスを含む。装置は、検出よりも前に、分離からのイオンのピークの狭化または圧縮のために適用されるイオンコンプレッサも含む。
【００２９】
本発明の別の実施形態では，ＳＬＩＭ  ＩＭＳにおけるイオン分解能およびＳ／Ｎ検出を増大させる装置が開示される。装置は、大きなイオンパケットまたは連続的なイオンビームがある時間の間に導入されるＳＬＩＭ  ＩＭＳデバイスを含む。装置は、また、イオンの部分的な狭化または圧縮のために適用される初期イオンコンプレッサを含む。装置は、さらに、イオンをそれらのモビリティに従って部分的に分離するようにデバイスに印加される一定または可変の電場も含む。装置は、さらに、はるかに大きなピーク強度およびＳ／Ｎの最終分離を生じさせるように、部分的な分離による空間電荷効果の減少後に適用される、イオンを狭化または圧縮するための追加のイオンコンプレッサを含む。
【００３０】
本発明の別の実施形態では、ＳＬＩＭ  ＩＭＳにおける分離からのイオンの分解能およびＳ／Ｎ検出を増大させる装置が開示される。装置は、大きなイオンパケットが導入されるまたは連続的なイオンビームがある時間の間に導入されるＳＬＩＭデバイスを含む。装置は、また、イオンを部分的に狭化または圧縮するように適用される初期イオンコンプレッサを含む。装置は、また、イオンをそれらのモビリティに従って部分的に分離するようにデバイスに印加される一定または可変の電場を含む。装置は、さらに、はるかに大きなピーク強度およびＳ／Ｎの最終分離を生じさせるように、部分的な分離による空間電荷効果の減少後に適用される、イオンを狭化または圧縮するための追加のイオンコンプレッサを含む。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態による、通常進行波および「間欠的」または断続的な進行波を含むイオンピーク圧縮のための装置の概略的な線図である。直線的な配置および他の配置も実用的である。
【図２−１】図２Ａ〜２Ｃは、図１の装置を使用した空間的なピーク圧縮の結果を示す図である。図２Ａは、イオンピーク拡散の初期分布であり、図２Ｂおよび図２Ｃは、イオン分布に対する狭化効果を有する断続的な進行波の適用を含む。
【図２−２】図２−１の続き。
【図３】図３Ａおよび３Ｂは、非圧縮の場合の空間的なピーク圧縮（図３Ａ）、および断続的な進行波の付与後の２ｘ圧縮の場合の空間的なピーク圧縮（図３Ｂ）の図である。
【図４】図４Ａは、本発明の一実施形態による、装置のコンプレッサ領域に対して直交して位置合わせされた分離領域を通るイオン運動の図である。図４Ｂは、分離領域に印加された通常進行波についての経時的な周波数のグラフである。図４Ｃは、装置のコンプレッサ領域に対して印加された断続的な進行波についての経時的な周波数のグラフである。
【図５】２つの領域が同じまたは類似の方向に位置合わせされている、分離領域およびコンプレッサ領域の一変形形態の図である。
【図６】コンプレッサ領域が分離領域よりも前にある、分離領域およびコンプレッサ領域の別の変形形態の図である。
【図７】イオンを２つの領域のどちらかに動的にゲート制御（ｇａｔｉｎｇ）することを含む、分離領域およびコンプレッサ領域の別の変形形態の図である。
【図８】図８Ａ〜８Ｃは、２つの領域の相対的なサイズおよび相対的な位置の任意の組み合わせの、分離領域およびコンプレッサ領域の変形形態の図である。
【図９】図９Ａおよび９Ｂは、非圧縮のイオンパケット（図９Ａ）および圧縮されたイオンパケット（図９Ｂ）の到達時間分布および強度の図である。
【図１０】図１０Ａおよび１０Ｂは、非圧縮の連続イオンビーム（図１０Ａ）および圧縮された連続イオンビーム（図１０Ｂ）の到達時間分布および強度の図である。
【図１１】電圧が図１のコンプレッサ電極のうちの１つに印加されたときのデューティサイクルの経時的な変化の図である。最初は、圧縮がなく、次いでデューティサイクルは圧縮を可能にするように変化し、そしてある時間経過後にデューティサイクルは初期のデューティサイクルと同様でも異なってもよい異なるデューティサイクルに変えられる。
【図１２】本発明の一実施形態による、ＩＭＳにおける分解能を向上させる装置の簡素化されたブロック線図である。
【図１３−１】図１３Ａ〜１３Ｅは、イオン分離（図１３Ａ）と、電場方向が逆にされるオプションのイオン圧縮（図１３Ｂ）と、分離段階の前の位置にイオンが戻ること（図１３Ｃ）と、オプションのイオン圧縮（図１３Ｄ）と、必要があるとみなされた場合、所望の分解能が得られるまでイオンの分離を繰り返す（図１３Ｅ）こととを含む、本発明の一実施形態による、ＩＭＳにおける分解能を向上させるための、いくつかはオプションである、異なる段階の図である。
【図１３−２】図１３−１の続き。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下の説明は、本発明の具体例の好ましい実施形態を含む。本発明のこの説明から、本発明がこれらの例示の実施形態に限定されず、本発明が様々な変形形態およびその実施形態も含むことが明らかとなろう。したがって、この説明は、例示的であり限定的ではないとみなされるべきである。本発明は、様々な変形形態および代替構造が可能であるが、開示された特定の形態に本発明を限定する意図はなく、逆に本発明は、特許請求の範囲において定められた本発明の趣旨および範囲に入る全ての変形形態、代替構造および均等物を包含すると理解されたい。
【００３３】
進行波イオンモビリティ、およびイオン化の前を含む例えば電圧場である外力がイオンに付与されたときにイオンがそれらのモビリティに基づいて分離されるまたは他の手段で分離される他の適用例において、信号対ノイズ比を増大させる方法、デバイスおよび装置が開示される。本発明は、イオンをより少ないモビリティ「ビン（ｂｉｎ）」に選り分け、圧縮または再グループ化する、断続的または「間欠的」な進行波の付与を含む。ここで、ビンは、本明細書では、２つの波の間のトラッピング領域のうちの１つとして定義される。信号強度は、同じまたは非常によく似たモビリティのイオンのこのビンニング（ｂｉｎｎｉｎｇ）の結果、増大する。ピーク集束の結果としての分解能の任意の損失は、選り分け／再グループ化／圧縮工程の後の短い追加的なドリフトタイムによって回復される。この「再ビンニング」は、単に、２つ以上の隣接するビンを１つにそれぞれ結合することができ、すなわち２以上の整数値の圧縮比を与えることができるが、他のより複雑な再ビンニングも実現可能であり、その場合、圧縮比は、変化する、または例えば分離の間にピークがより幅広になるようにより大きな圧縮を適用するように特定のやり方でプログラムされる。
【００３４】
本発明は、さらに、ＩＭＳデバイスまたはセルを物理的に増大させることなく、ＩＭＳ分離を達成するために経路長を効果的に増大させることによって進行波イオンモビリティ分離の分解能を向上させる方法、デバイスおよび装置を開示する。したがって、高分解能を達成するために、同じ経路長が要望通りに複数回利用される。
【００３５】
図１は、本発明の一実施形態による、イオンモビリティ分離のための装置の概略的な線図である。イオンが装置またはデバイスに導入されるとき、進行波電場がイオンパケットの分離のためにそれらのモビリティに応じて時間的または空間的に印加される。したがって、イオンは、多数の移動トラップまたはビンにわたって分散または拡散される。この「通常の」または連続的に動く進行波が、「間欠的」または断続的な進行波の  −  動いている進行波が断続的に止まる  −  第２の領域にインターフェース（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）すると、通常進行波の複数のトラッピングビンにわたって広がったイオンが、狭いピークのより少数のトラッピング領域内に再導入される。こうして、多くの移動トラップの長い経路にわたって分散されたイオンは、より少数のビンを伴う、異なるより狭い分布に選り分けされる。
【００３６】
そうした再導入の程度は、断続的な進行波のデューティサイクル、すなわち進行波の停止と移動の相対時間に応じて決まる。イオンモビリティのピークの選択されたまたは予め決められた範囲がそのようして再導入された後、断続的な進行波が通常進行波に置き換えられる。これは、検出前に行われる。
【００３７】
より高い信号対ノイズ比は、類似するモビリティのイオンをより狭いモビリティのビンまたはトラップに再グループ化する結果として達成される。２つの電場−  通常進行波と断続的な進行波−  を、繰り返し、例えば複数パス式の分離で、インターフェースすることによって、より多数のサイクルが有効となる。周波数およびそうしたピーク集束の順序を適切に選ぶことで、実質的に無限のピーク分解能が実現可能となり得る。
【００３８】
図２Ａ〜図２Ｃは、図１の装置を用いた空間的ピーク圧縮の結果を示している。図２Ａは、この例では、４８個の電極にわたるイオン拡散の初期の分布またはピークである。初期分布についての半値全幅（ＦＷＨＭ）は、約１６ｍｍであった。
【００３９】
図２Ｂおよび図２Ｃは、断続的な進行波が印加されたときのイオンの分布に対する狭化効果を示している。図２Ｂでは、２つのビンにおけるイオンは、１つに併合され、ＦＷＨＭは、約９ｍｍに減少している。図２Ｃは、イオンの４つのビンを１つに併合する効果を示している。図２ＣのＦＷＨＭは、約６．３ｍｍにさらに減少し、それに伴い信号対ノイズ比が増大する。
【００４０】
図３Ａおよび図３Ｂは、異なるモビリティ−  Ｋｏ＝１．１７ｃｍ２／Ｖ．ｓおよびＫｏ＝１．００ｃｍ２／Ｖ．ｓの２つのイオンについての、圧縮がない場合の空間的ピーク圧縮（図３Ａ）、および断続的な進行波の付与後の２ｘ圧縮（図３Ｂ）の場合の空間的ピーク圧縮を示している。
【００４１】
図４Ａは、本発明の一実施形態による、装置のコンプレッサ領域に対して直交して位置合わせされた分離領域を通るイオン運動を示している。分離領域と称される通常進行波領域は、図４Ｂのグラフに示されるような一定進行波周波数を有し、この例では、断続的な進行波領域に対して垂直に向けられ、直交している。コンプレッサ領域と称される断続的な進行波領域は、図４Ｃのグラフに示されるような断続的に非ゼロの進行波周波数を有し、この例では、水平方向に向けられている。矢印は、イオン軌道経路を示している。
【００４２】
図５は、２つの領域が同じまたは類似の方向に位置合わせされている、図４Ａの分離領域およびコンプレッサ領域の一変形形態である。領域が互いに同じ方向に位置合わせされる場合、信号対ノイズ比および分解能における効果は、図４Ａの直交の向きと類似する。
【００４３】
図６は、コンプレッサ領域が分離領域よりも前にある、図４Ａおよび図５の分離領域およびコンプレッサ領域の別の変形形態である。図６の構成は、例えば、イオン圧縮前のイオントラッピングまたは分離が必要なく；コンプレッサがその後の分離のための注入デバイスとして使用される場合に有用となり得る。
【００４４】
図７は、２つの領域、すなわち分離領域と圧縮領域のどちらかにイオンを動的にゲート制御することを含むデバイスについての分離領域およびコンプレッサ領域の別の変形形態である。
【００４５】
図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃは、２つの領域の相対的なサイズと相対的な位置の任意の組み合わせの、分離領域およびコンプレッサ領域の変形形態である。図８Ａは、コンプレッサ領域の後に分離領域があるという同じパターンの繰り返しを示している。図８Ｂおよび図８Ｃは、軌道運動によりまたは軌道運動で構成された領域を示している。
【００４６】
図９Ａおよび図９Ｂは、非圧縮のイオンパケット（図９Ａ）および圧縮されたイオンパケット（図９Ｂ）の到達時間分布および強度を示している。
【００４７】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、非圧縮の連続モードイオンビーム（図１０Ａ）および圧縮された連続モードイオンビーム（図１０Ｂ）の到達時間分布および強度を示している。
【００４８】
図１１は、電圧が図１のコンプレッサ電極のうちの１つに印加されたときのデューティサイクルの経時的な変化を示している。最初は、圧縮がなく、次いでデューティサイクルは圧縮を可能にするように変わり、次いである時間経過後、デューティサイクルは、初期デューティサイクルと類似または異なってよい、異なるデューティサイクルに変えられる。
【００４９】
図１２は、本発明の一実施形態による、ＩＭＳにおける分解能を向上させる装置の簡素化されたブロック線図である。装置は、ＩＭＳ分離デバイスに連結されるオプションのイオンコンプレッサを含む。ＩＭＳ分離デバイスは、さらに、別のオプションのイオンコンプレッサに連結される。
【００５０】
図１３Ａ〜図１３Ｅは、本発明の一実施形態による、ＩＭＳにおける分解能を向上させる、いくつかはオプションである、異なる段階を示している。図１３Ａにおいて、パルス化されたイオンは、ＩＭＳデバイスに導入され、そこで、デバイスへの一定または可変の電場の印加により、それらのモビリティに従って分離される。次いで、図１３Ｂにおいて、オプションのイオンコンプレッサがイオンを狭化または圧縮し、電場が逆にされる。電場が逆になることで、イオンは、図１３Ｃに示されるように、分離段階よりも前の位置に戻る。オプションの別のイオン圧縮段階は、図１３Ｄに示されている。図１３Ｂから図１３Ｄの間は、ＩＭＳ分離は行われない。プロセスは、図１３Ｅに示されるように、所望の分解能が得られるまで繰り返すことができる。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を示して説明したが、本発明から逸脱することなくそのより広範な態様において多くの変更および修正を行うことができることは当業者にとって明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨および範囲に入るそのような変更および修正の全てを包含するものとする。
【図１】
2019519766.tif 000003
【図２−１】
2019519766.tif 000004
【図２−２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2019519766.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３−１】
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【図１３−２】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年1月18日(2019.1.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン操作のための装置であって：
イオンを受けて第１の電場を生成するように構成される第１の領域であって、前記第１の電場は、イオンのモビリティに基づき複数のイオンパケット内にイオンを分散させるように構成される進行波を含む、前記第１の領域；および
複数のイオンパケットを受けて、デューティサイクルを有する断続的な進行波を形成する第２の電場を生成するように構成される、第１の領域とは分離した第２の領域であって、前記断続的な進行波は、デューティサイクルを変えることによって複数のイオンパケットの２つまたはそれ以上の隣接するイオンパケットを併合するように構成される、前記第２の領域；
を含む、前記装置。
【請求項２】
イオンパケットは、断続的な進行波のデューティサイクルの変化によってより狭いピーク領域内に再グループ化または併合される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第１の電場は、進行波である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
第１の領域内のイオン運動の方向は、第２の領域内のイオン運動の方向に対して直交して位置合わせされる、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
第１の領域内のイオン運動の方向は、第２の領域内のイオン運動の方向と同じ方向に位置合わせされる、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
第１の領域および第２の領域は、互いに対して０°〜３５９°の間の任意の角度に位置合わせされる、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
イオンピークを圧縮する方法であって、
イオンを、第１の領域および第１の領域とは分離している第２の領域を有するデバイス内に導入する工程；
イオンを、イオンのモビリティに基づき複数のイオンパケット内にイオンを分散させる
ように、第１の電場を第１の領域に印加する工程；および
第２の電場を第２の領域に印加し、デューティサイクルを有し、そしてデューティサイクルを変えることによって複数のイオンパケットの２つまたはそれ以上の隣接するイオンパケットを併合するように構成される断続的な進行波を形成する工程；
を含む、前記方法。
【請求項８】
イオンパケットの再グループ化または併合を制御するように断続的な進行波のデューティサイクルを変える工程をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
第１の電場は、進行波である、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
第１の領域内のイオン運動の方向は、第２の領域内のイオン運動の方向に対して直交して位置合わせされる、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
第１の領域内のイオン運動の方向は、第２の領域内のイオン運動の方向と同じ方向に位置合わせされる、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
第１の領域および第２の領域は、互いに対して０°〜３５９°の間の任意の角度に位置合わせされる、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
断続的な進行波は、イオンを２つまたはそれ以上のトラッピング領域から１つに併合する、請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
断続的な進行波は、イオンを４つまたはそれ以上のトラッピング領域から１つに併合する、請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
断続的な進行波は、所定範囲のイオンパケットが再グループ化または併合された後、検出よりも前に、非断続的な進行波に置き換えられる、請求項７に記載の方法。
【請求項１６】
イオンピークを圧縮する方法であって、
イオンを、第１の領域および第１の領域とは分離している第２の領域を有するデバイス内に導入する工程；
イオンのモビリティに基づき複数のイオンパケット内にイオンを分散させるように、第１の電場を第１の領域に印加する工程；および
第２の電場を第２の領域に印加し、デューティサイクルを有し、そしてデューティサイクルを変えることによって複数のイオンパケットの２つまたはそれ以上の隣接するイオンパケットを併合するように構成される断続的な進行波を形成する工程；
を含み、
ここで、併合されたイオンパケットは、時間的に、２つまたはそれ以上の隣接するイオンパケットより狭い、
前記方法。
【請求項１７】
イオンパケットの再グループ化または併合を制御するように断続的な進行波のデューティサイクルを変える工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
第１の電場は、進行波場である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
第１の領域および第２の領域は、互いに対して０°〜３５９°の間の任意の角度に位置合わせされる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
断続的な進行波は、イオンを２つまたはそれ以上のトラッピング領域から１つに併合する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
断続的な進行波は、イオンを４つまたはそれ以上のトラッピング領域から１つに併合する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
断続的な進行波は、所定範囲のイオンパケットが再グループ化または併合された後、かつ検出よりも前に、非断続的な進行波に置き換えられる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
イオンモビリティ分光分析（ＩＭＳ）の分解能を向上させる方法であって：
イオンを、第１の領域、第２の領域および第３の領域を有するＩＭＳデバイスに導入する工程であって、ここで第１の領域、第２の領域および第３の領域は重複しない、前記工程；
進行波（ＴＷ）を第１の領域に印加することによって、イオンをそれらのモビリティに従って複数のイオンパケットへ分離する工程；
デューティサイクルを有する第２の断続的な進行波を第２の領域に印加し、そしてその中のデューティサイクルを変化させることにより、複数のイオンパケットの２つまたはそれ以上の隣接するイオンパケットを併合する工程；および
イオンパケットが該分離する工程よりも前の位置に戻されるように、分離が行われないようにＴＷを逆にする工程；
を含む、前記方法。
【請求項２４】
ＴＷを逆にする工程の後に、変化するデューティサイクルをその中に含む第３の断続的な進行波を第３の領域に印加することによって、イオンパケットを圧縮する工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
逆にする工程の間、イオン分離は行われない、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
逆にする工程は、ＴＷの速度を低下させるまたは振幅を増大させる工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
ＩＭＳデバイスを物理的に増大させることなく、ＩＭＳ分離のための経路長を効果的に増大させる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
イオンモビリティ分光分析（ＩＭＳ）におけるイオン分解能を向上させる装置であって：
イオンを受けるように構成され、そしてイオンのモビリティに従って複数のイオンパケット中にイオンを分離するように、第１の方向に進行する、一定または可変の電場を生成する分離領域；
２つまたはそれ以上の隣接するイオンパケットを併合し併合されたイオンパケットを生成するための、分離領域とは分離したイオン圧縮領域であって、前記イオン圧縮領域は、デューティサイクルを有し第２の方向に進行する第２の電場を生成するように構成され、ここで第２の電場は、デューティサイクルを変化させることにより併合されたイオンパケットを生成し、併合されたイオンパケットを第２の方向に駆動する、前記イオン圧縮領域；
を含み、
ここで、第２の方向は、第１の方向の反対である、
前記装置。
【請求項２９】
ＩＭＳデバイスは、ＳＬＩＭ  ＩＭＳデバイスである、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
イオンモビリティ分光分析（ＩＭＳ）におけるイオン分解能を向上させる装置であって：
イオンを受け、そして、受けたイオンを、それらのモビリティに従って複数のイオンパケット内に部分的に分離するための一定または可変の電場を生成するように構成されるＩＭＳデバイス；
複数のイオンパケットを受け、そして、ＩＭＳデバイスによる分離後に、デューティサイクルを変えることによって複数のイオンパケットの２つまたはそれ以上の隣接するイオンパケットを併合するように、その中にデューティサイクルを有する電場を生成するように構成される、第１のイオンコンプレッサ；および
第１のイオンコンプレッサとは分離し、そして、はるかに大きなピーク強度およびＳ／Ｎの最終分離を生じさせるように、イオンセパレタと第１のイオンコンプレッサを通過後に複数のイオンパケットを受け、複数のイオンパケットの１つまたはそれ以上のイオンパケットを圧縮するように構成される、第２のイオンコンプレッサ；
を含む、前記装置。
【請求項３１】
ＩＭＳデバイスは、ＳＬＩＭ  ＩＭＳデバイスである、請求項３０に記載の装置。
【国際調査報告】
2019519766.tif 000018
2019519766.tif 000019
2019519766.tif 000020
2019519766.tif 000021